純水設(shè)備53反滲透膜污染的特點及清洗方法
【天津純水設(shè)備http://www.jxnancy.cn】膜污染是影響膜技術(shù)實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。國內(nèi)外關(guān)于MBR用于污水處理時的純水設(shè)備膜污染的報道較多,但其用于給水處理時的相關(guān)研究還較少。由于MBR用于源水處理時,與膜接觸的懸浮物質(zhì)、有機物等的組成、濃度和性質(zhì)都與MBR用于污水處理時的情形不同,運行操作條件也有所不同,因此膜污染特征也不盡相同,有必要考察MBR在凈水工藝中的膜污染特征及清洗。
1、試驗裝置與方法
1.1工藝流程：一體式MBR的工藝流程見參考文獻(xiàn)。微濾膜采用聚乙烯中空纖維膜,孔徑為0.1μm,膜面積為0.2m2。
采用人工配制的微污染源水進(jìn)行試驗。源水由進(jìn)水泵打入MBR,混合液在抽吸泵的作用下形成過濾出水。工業(yè)水處理設(shè)備膜組件采用間歇方式運行,抽吸時間和停抽時間分別為15min和2.5min。設(shè)置在膜組件下的穿孔管連續(xù)曝氣以提供生物反應(yīng)所需的氧氣,并同時清除膜表面的部分污染物。
生物反應(yīng)器按懸浮生長型和附著生長型(分別投加塊狀填料和PAC)運行。懸浮生長型MBR連續(xù)運行約4個月、塊狀填料-MBR(塊狀填料投量為10%,體積比)和PAC-MBR(PAC投量為2000mg/L)連續(xù)運行20多天后,將污染膜組件取出,進(jìn)行膜污染分析及清洗。
1.2膜面污染特征分析：從污染后的純水設(shè)備膜組件截取一段污染膜絲,干燥后噴鍍金膜,采用掃描電鏡(HITACHI,S-570)對污染膜的內(nèi)、外表面進(jìn)行了觀察。
1.3膜污染清洗方法：采用的物理清洗方法有清水過濾和連續(xù)曝氣清洗,化學(xué)清洗方法包括鹽酸酸洗和次氯酸鈉堿洗。試驗中發(fā)現(xiàn)MBR中的工業(yè)水處理設(shè)備膜污染與混凝—微濾膜組合工藝(C-MF)相比,粘性較大,兩種常規(guī)物理清洗方法效果較差(尤其是對附著生長型MBR膜污染的清洗),因此采用超聲波對膜進(jìn)行了清洗。
1.4對膜清洗效果的評價：采用膜比通量K=J/P(即單位過濾壓差下的膜通量值)來表征膜過濾性能的高低。清洗后通過清水通量試驗采用歸一化膜比通量(定義為K/K0)來表征膜通透性能的恢復(fù),其中K0為新膜的膜比通量。
2、結(jié)果與討論
2.1膜面污染特征：懸浮生長型MBR、塊狀填料-MBR和PAC-MBR連續(xù)運行后的污染膜外、內(nèi)表面的電鏡照片分別如圖1、2所示。
水工業(yè)
水污染
由圖1可見,懸浮生長型MBR的污染膜外表面為一層較厚濾餅層覆蓋,顆粒物質(zhì)、懸浮物質(zhì)和微生物相互粘連、沉積在膜絲外表面,微生物以球菌居多,彼此之間有較多菌絲、細(xì)絲相連。經(jīng)曝氣清洗后可見濾餅層下為一粘性凝膠層。投加塊狀填料和PAC的MBR中的污染膜外表面附著的微生物較懸浮生長型MBR少,這是因為在附著生長型MBR內(nèi)微生物以附著態(tài)為主。塊狀填料-MBR的膜外表面為一層粘性的較薄污染層覆蓋,顆粒物質(zhì)少,推測是由大分子有機物為主的物質(zhì)在膜表面吸附而形成的凝膠污染層。PAC-MBR的膜外表面粗糙,也被一層粘性凝膠層覆蓋;與前兩者不同,其污染層上沉積、附著有許多片狀、反滲透設(shè)備粒狀的較大塊狀物,推測可能是PAC碎顆粒,此外還有許多形狀規(guī)則、有棱角的方形污染物,可能是無機結(jié)垢物質(zhì)。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡及X射線能譜儀(FSEM-EDS)對上述特征污染物進(jìn)行了成分分析,結(jié)果表明這些特征污染物是無機垢體,主要含Ca,其次是Mg,推測結(jié)垢物質(zhì)以CaCO3為主。
由圖2可知,懸浮生長型MBR的膜內(nèi)表面無明顯污染,同樣發(fā)現(xiàn)塊狀填料-MBR和PAC-MBR中膜內(nèi)表面也均無明顯污染,這與膜直接過濾和C-MF工藝中工業(yè)水處理設(shè)備膜內(nèi)表面以微生物為主的污染特征顯著不同。推測可能因為MBR對生物可利用的有機物去除率較高,從而減少了能到達(dá)膜組件內(nèi)部、可供微生物生長的養(yǎng)料,使膜絲內(nèi)表面出現(xiàn)微生物污染的可能性減少。
2.2膜污染的清洗
2.2.1懸浮生長型MBR：對污染膜按如下步驟清洗:清水過濾、連續(xù)曝氣、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗,并通過SEM觀察每步清洗后膜外表面形貌的變化(見圖3)。
水污染
由圖3可見,物理清洗(清水過濾和曝氣清洗)后膜外表面濾餅層大部分脫落,且膜絲外表面沿軸向兩側(cè)的形貌明顯不同[圖3(a)上半部分分別對形貌不同的兩側(cè)進(jìn)行了放大]。由于一體式MBR在膜過濾和曝氣清洗過程中,沿膜絲軸所處不同方向的膜絲各部分受力不同,因此會造成膜絲表面(沿軸不同方向)的膜污染分布不均。從圖3(a)較清潔一側(cè)膜絲的照片來看,物理清洗后膜表面仍分布有一層較薄的粘性凝膠層。次氯酸鈉堿洗后[圖3(b)],膜絲大部分已清洗干凈,膜孔清晰可見,僅留有一些點狀污染物,清洗效果顯著。純水設(shè)備膜外表面仍有(沿軸不同方向)清洗效果不同的現(xiàn)象。經(jīng)鹽酸酸洗后[圖3(c)],膜絲表面殘留的污染物進(jìn)一步減少。通過清水通量試驗評價了經(jīng)各步驟清洗后的膜過濾性能的恢復(fù)情況(如圖4所示)。
水污染
由圖4可見,連續(xù)運行后膜組件污染較為嚴(yán)重,膜比通量已降到新膜的5%以下。清水過濾和曝氣清洗對膜過濾性能的恢復(fù)作用較小,說明物理清洗所清除的沉積于膜表面的由顆粒物、微生物體和懸浮物質(zhì)所組成的濾餅層污染并不是造成膜阻力的主要因素。反滲透設(shè)備堿洗后膜比通量幾乎完全恢復(fù),說明凝膠層污染、有機污染是造成膜污染的主要原因。由于堿洗已使膜過濾性能完全恢復(fù),故酸洗后的膜過濾性能與洗前相差不大。
2.2.2塊狀填料-MBR：對塊狀填料-MBR中的污染工業(yè)水處理設(shè)備膜進(jìn)行清洗時,發(fā)現(xiàn)污染層粘性較大,常規(guī)物理清洗效果不明顯,因此采用了以下兩組清洗方法。清洗步驟如下:第一組,高壓水沖洗(5min)、曝氣清洗、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗;第二組,曝氣清洗、超聲波清洗(30min)、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗。兩組清洗方法對膜過濾性能的恢復(fù)情況如圖5所示。
水污染
從圖5可以看出,高壓水沖洗和曝氣清洗均對膜過濾性能的恢復(fù)作用較小,而超聲波清洗作用較顯著,可使膜比通量恢復(fù)約30%。將兩組試驗進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)超聲波清洗后再堿洗對膜過濾性能的恢復(fù)作用較弱,說明超聲波可代替部分堿洗來清除膜面污染層中難為常規(guī)物理清洗所清除的污染物。另一方面,采用超聲波清洗后,清洗總效果提高了10%～15%。
2.2.3PAC-MBR：根據(jù)上述試驗結(jié)果,采用超聲波清洗(120min)※次氯酸鈉堿洗※鹽酸酸洗※超聲波化學(xué)清洗的步驟對PAC-MBR工藝中污染的膜進(jìn)行清洗。經(jīng)各步驟清洗后對膜過濾性能的恢復(fù)效果如圖6所示。
水污染
經(jīng)超聲波清洗后K/K0恢復(fù)到30%。繼續(xù)進(jìn)行次氯酸鈉堿洗和鹽酸酸洗,對膜過濾性能的恢復(fù)有較大作用,但膜過濾性能并未完全恢復(fù)。反滲透設(shè)備進(jìn)一步將化學(xué)清洗與超聲波相結(jié)合(稱為超聲波化學(xué)清洗)進(jìn)行清洗(時間為2h),膜過濾性能在常規(guī)化學(xué)清洗基礎(chǔ)上繼續(xù)提高約20%,說明借助超聲波在清洗液中所起的擾動作用,能使化學(xué)清洗劑發(fā)揮更大的清洗作用,且所需時間縮短。
2.3化學(xué)洗脫液成分：物理清洗將純水設(shè)備膜表面沉積的濾餅層清除后,化學(xué)清洗的對象主要是膜表面的凝膠層、吸附層和水垢層。以懸浮生長型MBR為例,分析了化學(xué)清洗(堿洗和酸洗)洗脫液中的有機和無機成分(如表1所示),
水污染
以深入了解膜表面污染物質(zhì)的性質(zhì)由表1可見,堿洗可有效地清除微生物和有機污染物,酸洗可清除無機污染物,無機成分以Ca
元素為主。將MBR化學(xué)洗脫液的污染物成分與C-MF工藝的結(jié)果進(jìn)行了比較。與C-MF工藝相比,MBR中膜表面的有機污染物含量較高,可能與MBR內(nèi)微生物的代謝產(chǎn)物有關(guān);Ca元素含量較低,腐殖質(zhì)組分略高,可能因為在C-MF工藝中腐殖質(zhì)組分易與混凝劑作用形成礬花而被去除。將化學(xué)洗脫液的pH值調(diào)至7,用濾膜過濾法測定了溶解性有機污染物的表觀分子質(zhì)量分布(以TOC為評價指標(biāo)),并與C-MF工藝進(jìn)行了比較(如圖7所示)
水污染
由圖7看出,兩種工藝條件下純水設(shè)備膜面有機污染物均以小分子有機物為主,表觀分子質(zhì)量<1000u的占多數(shù)。與C-MF化學(xué)洗脫液的表觀分子質(zhì)量分布相比,MBR洗脫液中出現(xiàn)了較多的大分子有機污染物,推測與反應(yīng)器內(nèi)微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)。
3、結(jié)論
①MBR型式不同,膜外表面也表現(xiàn)出不同的污染特征。懸浮生長型MBR膜表面濾餅層較厚、附著微生物較多,而附著生長型MBR膜表面為粘性凝膠層所覆蓋。各種MBR的膜內(nèi)表面基本無污染。②對懸浮生長型MBR的污染膜,物理清洗可使濾餅層大部分脫落,但對膜過濾性能的恢復(fù)效果較差;堿洗對膜過濾性能的恢復(fù)作用顯著,有機污染對膜阻力的“貢獻(xiàn)”最大。③附著生長型MBR的污染膜表面粘性較大,常規(guī)物理清洗效果差。采用超聲波清洗能使膜通透性恢復(fù)約30%,與超聲波結(jié)合的化學(xué)清洗效果優(yōu)于常規(guī)化學(xué)清洗。④MBR中的膜污染與C-MF相比,有機污染物含量較高,Ca元素含量較低,腐殖質(zhì)組分含量略高。純水設(shè)備兩種工藝條件下膜面溶解性有機污染物均以小分子物質(zhì)為主,MBR洗脫液中大分子有機污染物較C-MF增多,推測與反應(yīng)器內(nèi)微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)。 天津純水設(shè)備，天津水處理設(shè)備，天津去離子水設(shè)備。
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